相変化を伴うサイクル反応に用いる反応材料の設計

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熱化学水素製造UT-3サイクルの構成反応である、鉄系固体反応物の反応について、臭素化および加水分解反応それぞれの反応性の向上を目指して、これまでの粉末混合法に代わって、液相アルコキシド法の導入により調製法の改良を行った。その結果、反応成分の分散化を達成し、さらに、反応成分と構造維持体成分との構成比の検討、細孔構造の制御を行うことにより、反応性に優れた固体反応物を開発した。この固体反応物を用いて、サイクルの繰り返し反応試験を行い、SEMにより固体の観察をし、反応に伴う固体構造の変化を画像取得装置で取り込み解析するとともに、細孔構造の変化を水銀圧入式ポロシメータを用いて解析した。これらの結果をもとに、繰り返し反応に対して高い耐久性を持つ、固体の最適な構造を明らかにし、実際にその方法により調製した固体反応物を用いて、10サイクルにわたる繰り返し反応において、反応性が維持されることを明らかにした。また、この改良された固体反応物を用いて、反応中の反応成分の相変化について熱分析装置により定量的に評価し、さらに、加圧条件下における反応試験も行い、圧力と反応成分の相変化との関連性についても検討した。そして、相変化による反応成分の消失をできるだけ少なくするような操作条件を見出した。続いて常圧下および加圧下における反応解析を行い、プロセスのシミュレーションに必要となる反応速度式の導出も行った。特に臭素化反応については、逆反応の加水分解反応の進行をも考慮した、より実験結果を厳密に表現する速度式を提案した。工業化を考えての反応固体の形状、成型法についても検討を加え、球状固体と板状固体について反応性の比較を行い、固体構造との関係を明らかにした。